JPH08243952A - 材料除去工具用の手持ち式装置 - Google Patents

材料除去工具用の手持ち式装置

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JPH08243952A
JPH08243952A JP7329088A JP32908895A JPH08243952A JP H08243952 A JPH08243952 A JP H08243952A JP 7329088 A JP7329088 A JP 7329088A JP 32908895 A JP32908895 A JP 32908895A JP H08243952 A JPH08243952 A JP H08243952A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 脆性及び/又は低靭性材料の材料除去加工を
行うための手持ち式装置において、材料除去効率を向上
すると共に使用者の作業負担を軽減し、装置本体及び加
工工具の耐用寿命を向上する。 【解決手段】ハウジング(1)内に駆動ユニット(2)
を配置して加工工具(3)を回転駆動する。ハウジング
(1)内に超音波振動を励起するための電気音響変換器
(4)と振動増幅器(5)とを配設して、加工工具
(3)の回転運動に超音波振動を重畳可能とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【技術分野】本発明は、ハウジング内に配置された駆動
ユニットと、該駆動ユニットにより回転駆動される加工
工具とを具え、脆性及び/又は低靭性材料の材料除去加
工を行うための手持ち式装置に関するものである。
【0002】
【背景技術】従来より建設業界において、例えば配管及
び電気配線等に際して、有筋若しくは無筋コンクリー
ト、木材、壁材のみならず、金属材料等の各種材料につ
いても材料除去作業を行って、配管を通すための孔又は
チャネルや、ソケット、プラグ等を収めるための凹所を
形成することが多い。そのためには、所要の作業に適合
する加工工具を手持ち式装置に装着して作業を行う。こ
の種の手持ち式装置としては、例えば本出願人の製造・
販売に係る手持ち式コアドリル装置表面加工用又は溝加
工用の手持ち式装置が挙げられ、これら手持ち式装置は
例えば本出願人の製品カタログ1994/95年版第9
2−95頁又は第111−113頁に記載されている。
本出願人の製造・販売に係るこれら手持ち式装置は応用
範囲が極めて広く、高い材料除去効率をもって終日使用
に耐えるものであるが、さらに一層の改良を加えるのが
望ましい。
【0003】特に、材料除去効率に関しては、なお一層
の向上の余地がある。これと同時に、手持ち式装置の応
用範囲をさらに拡大するためには、装置の使用者が及ぼ
すべき押圧力を低下させるべきである。使用者に対する
騒音及び振動負荷も軽減すべきである。手持ち式装置に
装着された加工工具の摩耗、例えば被加工材料と工具の
ディスクとの間の摩擦や化学反応による摩耗も低減させ
るのが望ましい。加工工具のカッター素子における熱負
荷も低減させるべきである。また、手持ち式装置及び加
工工具の耐用寿命を向上するのが望ましい。このような
改良を施した手持ち式装置は、所要の作業に適合する加
工工具と組合わせて脆性材料又は低靭性材料、例えばア
ルミニウム、銅などの加工に使用できるものとする必要
がある。さらに、手持ち式装置の改良により、材料除去
作業に際しての使用者に対する粉塵負荷も低減可能とす
るのが望ましい。
【発明の開示】
【0004】本発明の課題は、上述した各種の要請に応
えることのできる本文冒頭に記載した形式の手持ち式装
置を提案することにある。そのために本発明による手持
ち式装置は、脆性材料又は低靭性材料についての材料除
去作業に使用し得るものであって、ハウジング内に配置
された駆動ユニットと、該駆動ユニットにより回転駆動
される加工工具とを具え、ハウジング内に超音波振動を
励起するための電気音響変換器と振動増幅器とを配設し
て、加工工具の回転運動に超音波振動を重畳可能とした
ことを特徴とするものである。
【0005】本発明の手持ち式装置によれば、ハウジン
グ内に超音波振動を励起するための電気音響変換器と振
動増幅器とを配設して、加工工具の回転運動に超音波振
動を重畳可能とした構成により、加工工具の回転運動に
由来する摩耗性又は切削性の材料除去メカニズムに、超
音波振動に基づく加工工具の直接衝突形態の除去メカニ
ズムが付加される。したがって、超音波振動を付加しな
い従来の加工方法と対比して材料除去効率が顕著に、典
型的には約2〜10倍向上する。本発明の手持ち式装置
は、各圧縮波が加工工具を伝播した後に減衰する衝撃原
理を最揺する従来のハンマードリル装置と対比して、超
音波振動を重畳することにより加工工具内に定在波を維
持させてそのエネルギを被加工材料に作用させる点で本
質的に相違している。
【0006】加工工具に超音波振動を付加的に及ぼすこ
とにより、手持ち式装置に対して使用者が及ぼすべき所
要の押圧力を顕著に低減することが可能である。これに
より、これまでは静置型の加工装置での加工が必要とさ
れていた加工対象についても、手持ち作業で対応できる
範囲が大幅に拡大するものである。また、超音波振動に
より摩擦力も顕著に低下するため、被加工材料との接触
領域における加工工具の発熱も僅かである。摩擦力の低
下により、工具の摩耗も減少する。また、加工工具の発
熱が僅かであるため、被加工材料と加工工具との間の化
学反応を抑制することも可能である。これらの利点は微
細ハンマー作用により一層増強されるものである。これ
により、被加工材料と加工工具との間の接触時間を短縮
することが可能だからである。また、被加工材料に対す
る加工工具の接触領域も微細ハンマー作用により発熱が
抑制されるため、ひいては加工工具の停止時間を延長す
ることが可能である。超音波振動の励起と、超音波振動
に由来する加工工具の衝突作用は、本発明の手持ち式装
置に使用者に及ぼされる騒音及び振動負荷を顕著に低下
させるものであり、この負荷は衝撃原理に基づく従来の
手持ち式装置により負荷よりも遥かに低いものである。
人体の手/腕系統が1〜200Hzの振動の影響を受け
易いことを考慮して、超音波領域における振動を無視可
能とすることは合目的的である。
【0007】本発明において励起させる超音波振動の周
波数及び振幅は、被加工材料の切削速度に同調させるも
のであり、好適実施例においては超音波振動が次式: 0.5・v<ω・2・a<5・v を満足するものであり、ここにωは超音波振動の角周波
数、aは超音波振動の振幅、vは被加工材料中における
加工工具の切削速度(m/s)である。これにより、被
加工材料に対する加工工具の接触領域は、工具の二回の
衝撃の間に微細ハンマー作用を発現させるに適したエネ
ルギレベルに維持される。
【0008】電気音響変換器の定格出力は約100〜1
000W、特に好適には約200〜500Wとするのが
望ましい。このような定格出力の電気音響変換器は、重
量及び寸法に対してバランスのとれた出力比を有し、慣
用的な寸法の手持ち式装置内に容易に収納可能である。
この場合において、電気音響変換器を磁歪型又は圧電型
変換器とするのが有利である。これらの変換器は所要の
定格出力を有するものが入手し易く、作動信頼性が高
く、手持ち式装置における通常の作業環境に対して影響
を受けにくいからである。
【0009】加工工具は、超音波振動により生じる振動
ノード領域内に配置された工具ホルダにより保持するの
が望ましい。励起された超音波振動のエネルギは、振動
ノード領域においては実質的にポテンシャルエネルギと
して存在する。したがって、加工工具の装着端部は超音
波振動の影響を受けにくい箇所に配置されることとな
る。同様の理由から、電気音響変換器及び振動増幅器の
各構成部品も、超音波振動により生じる振動ノード領域
内に配置するのが望ましい。このような工具ホルダにお
けるように、励起された超音波振動のエネルギが振動ノ
ード領域において実質的にポテンシャルエネルギとして
存在する場合には、各構成部品の接続箇所に、各構成部
品相互間の不所望の相対変位を生じさせる長手方向又は
横方向の負荷が及ぼされない。
【0010】加工工具の軸線方向寸法は、被加工材料と
の接触領域が超音波振動により生じる振動の腹領域内に
位置するよう定めるのが望ましい。この場合には、被加
工材料と接触する工具領域において、超音波振動のエネ
ルギが実質的に運動エネルギとして存在し、被加工材料
の衝突加工に完全に活用されるものである。
【0011】加工工具の材料は超音波振動に対する減衰
の少ない材料とし、好適には炭素鋼又はアルミニウムも
しくはチタン合金とするのが望ましい。ここに例示した
材料は、いずれも超音波振動に対する減衰が少なく、所
要の強度をも有するものである。
【0012】加工工具における重畳された回転運動及び
並進運動を効果的に実現可能とするため、振動増幅器を
ハウジング内で回転可能に支承して軸線方向の相対変位
下で駆動ユニットにより回転駆動可能とし、該振動増幅
器に加工工具を保持するための工具ホルダを設けるのが
有利である。この場合、超音波振動のエネルギを加工工
具に直接的に伝達することが可能であり、中間部材の介
在によるエネルギ損失の恐れは皆無である。
【0013】本発明の好適な実施例において、電気音響
変換器は波長λが約10〜40cmの長手方向の超音波
振動を励起する構成とし、該超音波振動を加工工具に伝
達可能とする。超音波振動の波長をこのように選択した
ことにより、加工工具を手持ち作業に適した長さとする
ことが可能である。この場合、加工工具を含む手持ち式
装置の全長は、励起される超音波振動の半波長の少なく
とも3倍とすべきである。もっとも、最大許容全長は1
0・λ/2を越えるべきではない。
【0014】長手方向の超音波振動の作用下で使用する
加工工具の好適実施例は、長さがnλ/2(ただし、n
=1,2,3,…)のチューブ状又はロッド状の工具で
あって、その前端部にカッター素子を設けた構成とす
る。手持ち式装置の作動時に加工工具は押圧力の作用方
向に作用する長手方向の超音波振動を行う。このような
加工工具を装着した本発明の手持ち式装置は、例えば従
来のハンマードリル装置に代えて使用することができ
る。この場合、長手方向の超音波振動を励起する電気音
響変換器は、ハンマードリル装置における電気空圧式衝
撃機構の機能を発揮するものである。本発明による手持
ち式装置は、特に壁材に貫通孔を形成するのに好適であ
る。このような貫通孔を形成する場合、従来は別種の装
置にクラウンドリルを装着して作業を行う必要があっ
た。
【0015】低靭性材料を加工するため、切削方向に見
て、カッター素子の前方に凹所を設けるのが望ましい。
この場合、加工工具に及ぼされた長手方向の超音波振動
が切削力方向に転向され、押圧方向のみならず切削力方
向にも作用する。その結果、使用者が手持ち式装置に対
して及ぼすべき所要の押圧力を低下させることが可能と
なる。
【0016】加工工具をカッター素子が設けられたチュ
ーブ状工具とし、該カッター素子は加工工具の前端部に
非対称的な突出量をもって配置した構成とすることがで
きる。この場合、工具の回転運動に際して長手方向の超
音波振動が半径方向外方及び上方に向けて転向される。
したがって、カッターセグメントを有するクラウンドリ
ルの場合には浄化作用を効果的に発現させることが可能
となる。
【0017】好適な実施例による加工工具は所定外径の
ディスク状工具とし、その外周面および外縁部にカッタ
ー素子を設け、その軸線方向寸法をnλ/2(ただし、
n=1,2,3,…)とし、その中心領域に所定の内径
を有する軸線方向孔を設け、加工工具の外径と軸線方向
孔の内径の平均値として定義される所定の相当径を有
し、かつ、次式: fr =cL /DM π を満足する構成とする。ここに、fr は加工工具の半径
方向共振周波数、cL は加工工具における長手方向の衝
撃速度、DM は加工工具における前記相当径である。こ
の場合、長手方向に及ぼされる超音波振動が横収縮によ
り半径方向の超音波振動に変換される。その結果、溝加
工に用いられる加工工具の振動が押圧力の作用方向に作
用する。被加工材料の超音波併用加工によりディスク状
加工工具の回転速度を顕著に、例えば2桁ほど低下させ
ることができ、これにより作業の安全性が向上すると共
に騒音放出レベルも十分に低下させることが可能とな
る。
【0018】溝加工に好適な実施例による加工工具は、
外周面および外縁部にカッター素子が設けられたディス
ク状の工具とし、その軸線方向寸法をnλ/2(ただ
し、n=1,2,3,…)とし、その外径を、長手方向
の超音波振動により加工工具に励起される曲げ振動の半
波長の整数倍とした構成とされている。長手方向の超音
波振動は加工工具に曲げ振動を誘起する。曲げ振動の運
動エネルギは、ディスクの外径を長手方向の超音波振動
により加工工具に励起される曲げ振動の半波長の整数倍
とした場合には、ディスクの外周部において最大とな
る。したがって、溝加工には長手方向の超音波振動によ
り誘起された曲げ振動も積極的に貢献することとなる。
その結果、ディスクの所要回転速度を大幅に低下させる
ことができ、これによっても作業の安全性が向上すると
共に騒音放出レベルを十分に低下させることが可能とな
る。
【0019】本発明の他の実施例による加工工具は、外
周面にカッター素子が設けられた指状の研削工具とし、
その軸線方向長さを超音波振動の半波長の整数倍とした
ものである。この実施例による加工工具は、切削方向に
対して横方向に振動するため、特に、加工工具の浄化作
用が効果的に発現される。さらに、超音波振動を及ぼす
ことにより加工工具の所要回転速度を顕著に低下させる
ことができ、これによっても作業の安全性が向上すると
共に騒音放出レベルを十分に低下させることが可能とな
る。この実施例による加工工具の変形例においては、長
手方向の超音波振動を加工工具の曲げモードに変換す
る。そのために、例えば加工工具の前端部に小型の偏心
質量を配置することができる。その結果、押圧力の作用
方向に振動が生じるため、所要の押圧力を更に低下させ
ることが可能となる。
【0020】本発明の他の実施例による加工工具は、深
皿又は平皿形状の研削工具とし、被加工材料と接触する
領域にカッター素子を設け、軸線方向寸法をnλ/2
(ただし、n=1,2,3,…)とし、その外径を、長
手方向の超音波振動により加工工具に励起される曲げ振
動の半波長の整数倍とした構成とされている。この場
合、加工工具の振動は押圧力の作用方向に作用するた
め、使用者が及ぼすべき所要の押圧力を大幅に低減する
ことが可能となる。超音波振動を付加したことにより、
花押工具の所要回転速度を顕著に低下させることが可能
である。その結果、摩擦熱の発生を抑制することができ
る。さらに、超音波振動により誘起された曲げ振動が、
加工工具の浄化作用を効果的に発現させる。加工工具の
切削速度は直径に比例して減少する。超音波振動により
誘起された曲げ振動の振幅を増幅するため、ディスク状
加工工具の外縁部を残部に対して厚肉又は薄肉に形成す
ることができる。このようにして、超音波振動により誘
起された曲げ振動の振幅を増幅して微細衝撃作用を一層
効果的に発現させるものである。
【0021】本発明のさらに他の好適実施例において
は、加工工具を、外周面にカッター素子が設けられた研
削面を有するドラム状研削工具とし、軸線方向寸法をn
λ/2(ただし、n=1,2,3,…)とし、所定内径
の軸線方向孔を有し、加工工具の外径と軸線方向孔の内
径の平均値として定義される所定の相当径を有し、か
つ、次式: fr =cL /DM π を満足する構成とする。ここに、fr は加工工具の半径
方向共振周波数、cL は加工工具における長手方向の衝
撃速度、DM は加工工具における前記相当径である。こ
の実施例において、励起された長手方向の超音波振動は
振動ノードにおいて横収縮により半径方向波に変換され
る。したがって、加工工具の振動は押圧力の作用方向に
作用する。したがって、使用者が及ぼすべき押圧力を低
下させ、又は同一の押圧力でより高い支持力を達成する
ことが可能となる。超音波振動を付加したことにより、
加工工具の所要回転速度を顕著に低下させることがで
き、これによっても作業の安全性が向上すると共に騒音
放出レベルを十分に低下させることが可能となる。な
お、加工幅を増加させるためには複数のドラム状研削工
具を直列接続することができる。
【0022】脆性及び/又は低靭性材料について材料除
去を行う本発明の他の好適な実施例による手持ち式装置
は、電気音響変換器を波長λが約10〜40cmの超音
波ねじり振動を励起する構成とし、該超音波ねじり振動
を加工工具に伝達可能としたものである。超音波振動の
波長をこのように選択したことにより、加工工具を手持
ち作業に適した長さとすることが可能である。この場
合、加工工具を含む手持ち式装置の全長は、励起される
超音波振動の半波長の少なくとも3倍とすべきである。
もっとも、最大許容全長は10・λ/2を越えるべきで
はない。
【0023】超音波ねじり振動を励起する手持ち式装置
と組合わせて使用する加工工具の好適実施例は、長さが
nλ/2(ただし、n=1,2,3,…)のチューブ状
又はロッド状の工具であって、その前端部にカッター素
子を設けた構成とされている。この場合、超音波振動が
切削力の作用方向に作用し、加工工具の長さを上記のご
とく定めたことにより、被加工材料と接触する加工工具
領域において超音波振動のエネルギが実質的に運動エネ
ルギとして存在する。このように構成された加工工具
と、超音波ねじり振動を励起する手持ち式装置との組合
わせは、特に、アルミニウム接合構造等の低靭性材料や
脆性材料の加工に適当であり、加工に際しては超音波振
動が切削力の作用方向に作用するために材料除去効率を
大幅に向上することが可能である。
【0024】好適な実施例においては、切削方向に見て
カッター素子の背後に凹所を設ける。この場合、超音波
ねじり振動を転向させて切削力の作用方向のみならず押
圧力の作用方向にも作用させることが可能となる。本実
施例による加工工具、例えばクラウンドリルは、所要の
押圧力を顕著に低下させる機能を発揮するものである。
【0025】他の好適な実施例において、加工工具は外
周面および外縁部にカッター素子が設けられたディスク
状の工具とし、その軸線方向寸法をnλ/2(ただし、
n=1,2,3,…)とする。この場合、加工工具に超
音波ねじり振動を及ぼすことにより切削力の作用方向に
力を作用させることができる。その結果、良好な加工性
能を維持しつつディスク状工具の所要回転速度を低下さ
せることが可能であり、作業の安全性が向上すると共に
騒音放出レベルを十分に低下させることが可能となる。
特に好適な実施例では、ディスクの外径を、当該ディス
クの支持軸の外径の約4倍以下とする。このような直径
比により、超音波振動に基づく加工工具の材料除去効率
を一層向上することが可能である。
【0026】本発明による手持ち式装置の好適実施例に
おいては、振動増幅器に軸線方向孔を設け、該軸線方向
孔に半径方向の吸引チャネルを接続し、その接続部を装
置の使用時に生じる超音波振動の振動ノード領域内に配
置する。吸引チャネルには集塵装置を接続可能とする。
これにより、加工に際して発生する切削くずを軸線方向
孔を経て外部に輩出することが可能である。本発明によ
る手持ち式装置の別の好適実施例においては、振動増幅
器上に吸引モジュールを支持し、該吸引モジュールの軸
線方向寸法をnλ/2(ただし、n=1,2,3,
…)、好適にはλ/2とし、該吸引モジュールに軸線方
向孔を設けると共に、該軸線方向孔に半径方向の吸引チ
ャネルを接続し、その接続部を装置の使用時に生じる超
音波振動の振動ノード領域内に配置する。この場合にお
いても、吸引チャネルには集塵装置を接続可能とする。
【0027】
【最良の実施形態】
【0028】以下、本発明を図示の実施例について一層
具体的に説明する。
【0029】図1は、脆性及び/又は低靭性材料の除去
加工を行うための本発明による手持ち式装置の一実施例
を示す略線図である。本実施例による手持ち式装置はハ
ウジング1を具え、同ハウジング1内には駆動ユニット
2が内蔵されている。この駆動ユニット2は、手持ち式
装置に装着される加工工具3を駆動するためのものであ
る。手持ち式装置の作動に際して加工工具3は、後述す
る軸線方向の振動下で駆動ユニット2により回転駆動さ
れて除去すべき材料の加工を行う。ハウジング1内に
は、超音波振動を励起する電気音響変換器4と、振動増
幅器5とが更に内蔵されている。これにより、手持ち式
装置の作動に際して加工工具3の回転運動に超音波振動
を付加することが可能である。電気音響変換器4及び振
動増幅器5は加工工具3の軸線方向延長線上に配置する
のが好適である。この場合、励起された超音波振動を直
接的に加工工具に伝達することが可能となるからであ
る。すなわち、励起された超音波振動を転向させる必要
がないため、超音波エネルギの損失が回避されるもので
ある。
【0030】電気音響変換器4及び振動増幅器5は、そ
の各構成要素が、励起される超音波振動の振動ノード
(節)領域内に位置するように寸法を設定するのが好適
である。加工工具3は工具ホルダ6内に保持し、この工
具ホルダ6も、励起される超音波振動の振動ノード領域
内に位置するように寸法を設定するのが好適である。超
音波振動の振動ノード領域においては、振動エネルギが
実質的にポテンシャルエネルギとして存在する。したが
って、振動ノード領域内に位置する構成要素には僅かな
機械的応力しか作用しない。
【0031】駆動ユニット2は、図示のごとく、電気音
響変換器4及び振動増幅器5の下側に配置することがで
きるが、ハウジング1の握り内に配置しても差し支えな
い。本発明による手持ち式装置の図1に示す実施例で
は、軸受7,8で示すように、振動増幅器5を回動可能
に支承する。
【0032】駆動ユニット2の出力軸に線図的に表した
駆動歯車9を取付け、駆動歯車9を振動増幅器5の出力
軸に設けられた外周歯10と噛合わせて手持ち式装置の
作動時に軸線方向に相対変位させつつ一体回転可能とす
る。振動増幅器5の支承箇所を励起される超音波振動の
振動ノード領域内に位置させて、振動増幅器5に及ぼさ
れる機械的負荷を可及的に低減させる。工具ホルダ6は
振動増幅器5の直前に配置する。工具ホルダ6は、振動
増幅器5とは別体のユニットとして構成することもでき
るが、振動増幅器5と一体のユニットとして構成するの
が好適である。電気音響変換器4は振動増幅器5と一体
回転可能に結合する。
【0033】電気音響変換器4としては磁歪型又は圧電
型の変換器を使用することができる。電気音響変換器4
の定格出力は約100〜1000Wとすることができ、
特に、約200〜500Wの範囲内で設定するのが好適
である。電気音響変換器4は、例えば図1の両矢印Lで
示すように、軸線方向の超音波振動を生じさせる変換器
として構成することができる。別の実施例として、電気
音響変換器4を、例えば図13において両矢印Tで示す
ように、超音波ねじり振動を生じさせる変換器として構
成しても良い。
【0034】加工工具3の回転運動に由来する摩耗性又
は切削性の材料除去メカニズムは、軸線方向の超音波振
動が付加されることにより、加工工具3の直接衝突形態
の付加的な除去メカニズムと組合わされる。これにより
材料除去効率が、超音波振動を付加しない従来方法と対
比して顕著に、典型的には約2〜10倍向上する。従来
のハンマードリル装置と対比して、各圧縮波が加工工具
を伝播してから減衰する本発明方法によれば、超音波振
動の付加により加工工具内に定在波を維持させて、被加
工材料にそのエネルギを伝達することが可能である。定
形カッター、例えば硬質金属カッター又は多結晶ダイヤ
モンドカッター(いわゆる「PKD」カッター)を有す
る加工工具の場合には、超音波振動を付加することによ
り、被加工材料に対するカッターの押込み深度を増大さ
せることが可能である。超音波振動を付加しない加工時
と同様のカッター押込み深度を達成するために、使用者
は、より低い押圧力を作用させるだけで良い。これによ
り、同様の押込み深度におけるカッターの摩耗を低減す
ることができる。その結果、より低硬度のカッターで多
数の材料を加工することが可能となり、これは加工工具
のコストに直結する重要な利点である。また、不定形カ
ッター、例えば硬質金属粒子、ダイヤモンド粒子又は砥
粒よりなるカッターセグメントを有する加工工具の場合
には、超音波振動を付加することにより、材料の加工に
際しての発熱を抑制することができる。その結果、手持
ち式装置における冷却液を必要としない乾燥使用範囲が
拡大される。所要の押圧力が顕著に低減される。カッタ
ーセグメントの自生作用も僅かな押圧力の作用下で十分
に発現される。これら要因のいずれも、機械的負荷の低
減と相俟って、加工工具および手持ち式装置の耐用寿命
の向上に寄与するものである。
【0035】図1〜図12に線図的に例示した加工工具
は、いずれも、長手方向の超音波振動を励起するための
手持ち式装置に装着して使用されるものである。図1に
示す手持ち式装置における電気音響変換器4は、波長λ
が約2〜20cmである長手方向の超音波振動を励起す
る。同図に示す加工工具3は、前端領域にカッター素子
11が設けられたロッド又はチューブ状の加工工具とす
る。このような加工工具としては、脆性材料用のドリル
又はクラウンドリルを使用することができる。加工工具
3は、その長さlをnλ/2(ただし、n=1,2,
3,…)として手持ち式装置とのシステム結合を行う。
すなわち、加工工具3は音響的な同調を行うものであ
る。手持ち式装置の作動に際して加工工具3は、回転運
動に加えて長手方向の超音波振動を行う。材料の除去作
業にあたり、超音波振動は押圧力と同一方向に付加され
るものである。
【0036】低靭性の破壊し易い材料を低い押圧力の作
用下で加工するに際しては、加工工具に対して押圧力及
び切削力と同一方向に振動を与えるのが望ましい。この
ような目的で、図2及び図3に示す実施例においては、
切削方向Sに見てカッター素子11の前方に凹所12を
配設する。これにより、加工工具内を伝播する長手方向
の振動の一部が切削力方向に転向されるものである。図
2及び図3に示すカッター素子11は、次の点で相違し
ている。すなわち、図2の実施例では、硬質金属製のカ
ッターセグメントよりなるカッター素子11を切削方向
とほぼ平行に配置する。これに対して、図3の実施例で
は、PKDカッターよりなるカッター素子11を切削方
向に対して傾斜させて配置する。
【0037】加工工具3には、切削方向に対して垂直方
向の振動を与えるのが望ましい場合もある。このような
場合、例えば図4に示すように、チューブ状の加工工具
3(クラウンドリル等)の前端面にカッター素子11を
非対称的に配置する。すなわち、本実施例においては、
カッター素子11の支持領域を、中空円筒形状を呈する
加工工具3の残部に対して半径方向外方及び内方に突出
させ、外方への突出量Aを内方への突出量Iよりも小と
する。これにより、加工工具3の回転に際して一種のポ
ンプ作用が発現される結果、切削くずの排出作用、すな
わちドリルの浄化作用が促進されるものである。
【0038】図5に示す加工工具3としてのディスク
は、例えば硬質金属又はダイヤモンドの粒子又はチップ
よりなる不定形カッター素子11を外周面及び外縁部に
配置したものである。このような加工工具3は、例えば
溝加工に使用する。加工工具3に及ぼされる長手方向の
超音波振動Lは、ディスクに曲げモードの振動を励起す
る。ディスクの軸線方向寸法は、超音波振動の長手方向
モードのλ/2の整数倍とする。また、ディスクの直径
dは、励起される曲げモード振動の半波長の整数倍とす
る。本実施例によれば、加工工具3が切削方向に対して
横方向に振動することにより、浄化作用が促進されるも
のである。
【0039】図6に示す加工工具3としてのディスクは
外径dを有し、外周面及び外縁部に不定形カッター素子
11を具えている。その軸線方向寸法はnλ/2(ただ
し、n=1,2,3,…)とする。ディスク状加工工具
3は、その中央領域に所定内径bの軸線方向孔13を有
し、この場合において工具は、ディスクの外径dと軸線
方向孔13の内径bの平均値として定義される相当径を
有する。本実施例による加工工具3は、ディスクの半径
方向共振周波数に関する次式: fr =cL /DM π を満足する構成とするのが好適であり、ここにfr は半
径方向共振周波数、cLは工具における長手方向の衝撃
速度、DM は工具の前記相当径を表すものとする。この
ようにして、工具の長手方向に伝播する超音波振動が横
方向の収縮により半径方向の超音波振動に変換される。
本実施例によれば、溝加工に用いられる加工工具3を押
圧力方向に振動させるものである。
【0040】図7及び図8は、それぞれ溝加工に用いら
れる指状の加工工具3の実施例を示すものである。いず
れの実施例においても、加工工具3はステム形状の装着
端部15と円筒体14とを有し、円筒体14の外周面に
は不定形カッター素子11が配置されている。その軸線
方向寸法は、加工工具3に及ぼされる長手方向振動のλ
/2に同調させる。この場合、加工工具3は切削方向に
対して横方向に振動することにより浄化作用を促進する
ものである。さらに、図8の実施例による加工工具3に
は、前端面に約1〜30gの小型偏心質量16を配置す
る。この偏心質量16により長手方方向振動を曲げモー
ドに変換する。したがって、工具は押圧力方向にも振動
する。
【0041】図9〜図11に示す実施例による加工工具
3は、深皿又は平皿形状のディスク状研削工具である。
この研削工具3には、被加工材料と接触する領域に不定
形カッター素子11が配置されている。研削工具3に及
ぼされる長手方向振動はディスクに曲げモードを励起す
る。加工工具3は押圧力方向に振動する。ディスクの軸
線方向寸法はnλ/2(ただし、n=1,2,3,…)
とし、直径dは励起される曲げモード振動の半波長の整
数倍とする。曲げモード振動の振幅はさらに増幅するこ
とが可能であり、そのために例えば図10の実施例では
ディスクの外縁部を厚肉部17とし、また、図11の実
施例ではディスクの外縁部を薄肉部18とする。
【0042】図12は、材料の表面加工に使用し得るド
ラム状加工工具3を示す縦断面図である。その外周面に
は、不定形カッター素子11を有する研削面19が長手
方向に延在する配置とされている。加工工具3の軸線方
向寸法はnλ/2(ただし、n=1,2,3,…)とす
る。加工工具3は、その中央領域に内径bの軸線方向孔
13を有する。ドラム状加工工具3の外径はdで表す。
この場合において工具は、工具3の外径dと軸線方向孔
13の内径bの平均値として定義される相当径を有す
る。本実施例によるドラム状加工工具3は、その半径方
向共振周波数に関する次式: fr =cL /DM π を満足する構成とするのが好適であり、ここにfr は半
径方向共振周波数、cLは工具における長手方向の衝撃
速度、DM は工具の前記相当径を表すものとする。工具
に及ぼされる長手方向の超音波振動は、振動ノードにお
ける横方向収縮により半径方向の振動Vに変換される。
したがって、本実施例においても加工工具3は押圧力方
向に振動する。より大きな加工幅を達成するためには、
図示実施例におけるごとく、複数のドラム状加工工具3
を直列接続するのが望ましい。
【0043】図13は、基本的構成が図1に示したもの
と対応する手持ち式装置の他の実施例を示すものであ
る。図1の実施例との相違点は、電気音響変換器4が、
約5〜20cmの波長λの超音波ねじり振動を励起する
構成とされている点である。この手持ち式装置に装着さ
れているロッド又はチューブ形状の加工工具3は、及ぼ
される超音波ねじり振動に音響的に同調させてある。す
なわち、加工工具3は、その長さlをnλ/2(ただ
し、n=1,2,3,…)として手持ち式装置とのシス
テム結合を行うものである。手持ち式装置の作動に際し
て加工工具3は、切削方向にねじり振動を行う。加工工
具3自体には、PKDカッター又はダイヤモンドセグメ
ントを被着するのが望ましい。
【0044】超音波振動を切削方向のみならず押圧方向
にも及ぼすのが望ましい場合、例えば図14及び図15
に示すように、切削方向Sに見てカッター素子11の背
後に凹所12を配設する。図14及び図15に示すカッ
ター素子11は、次の点で相違している。すなわち、図
14の実施例では、硬質金属製のカッターセグメントよ
りなるカッター素子11を切削方向とほぼ平行に配置す
る。これに対して、図15の実施例では、PKDカッタ
ーよりなるカッター素子11を切削方向に対して傾斜さ
せて配置する。
【0045】図16に示す溝加工用の工具3としてのデ
ィスクは、不定形カッター素子11を外周面及び外縁部
に配置したものである。ディスクの軸線方向寸法は、超
音波振動の長手方向モードのλ/2の整数倍とする。加
工工具3に及ぼされる超音波ねじり振動Tは、ディスク
を切削力方向にねじり振動させる。ディスクの支持軸と
ディスクの直径比は、約1:4までとすることができ
る。
【0046】図17は、溝加工に用いられる指状の加工
工具3の実施例を示すものである。本実施例において、
加工工具3はステム形状の装着端部15と円筒体14と
を有し、円筒体14の外周面には不定形カッター素子1
1が配置されている。その軸線方向寸法は、加工工具3
に及ぼされる超音波ねじり振動のnλ/2(ただし、n
=1,2,3…)とする。加工工具3に及ぼされる超音
波ねじり振動Tは、ディスクを切削力方向にねじり振動
させる。
【0047】図18に示す実施例による加工工具3は、
深皿又は平皿形状のディスク状研削工具である。この研
削工具3には、被加工材料と接触する領域に不定形カッ
ター素子11が配置されている。ディスクの軸線方向寸
法はnλ/2(ただし、n=1,2,3,…)とする。
加工工具3に及ぼされる超音波ねじり振動Tは、ディス
クを切削力方向にねじり振動させる。
【0048】図19は、吸引装置が一体的に設けられた
振動増幅器5の実施例を示す縦断面図である。この振動
増幅器5は軸線方向孔20を有し、軸線方向孔20には
ほぼ半径方向に延在する吸引チャネル21が接続してい
る。この場合、吸引チャネル21の接続部22は、加工
工具3に及ぼされる超音波振動の振動ノード領域内に配
置する。本実施例において、吸引チャネル21の接続部
22は、回転可能な振動増幅器5の軸受7,8の中間領
域内に配置する。振動増幅器5に設けられた外周歯10
は、駆動ユニットからの駆動力の伝達を行うものであ
る。代替的な実施例において、振動増幅器5に別体の吸
引モジュールを一体的に回転するよう固定する。この場
合、別体吸引モジュールの構成は、図19に示した振動
増幅器5と一体の吸引装置に準じたものとする。軸線方
向孔20から吸引された切削くずは、矢印Eで示すよう
に半径方向の吸引チャネル21を経て閉鎖型の集塵装置
(図示せず)に向けて排出される。
【0049】以上詳述したところから明らかなとおり、
本発明によれば、加工工具に及ぼされた超音波振動によ
り励起された振動が、加工工具の回転運動に由来する摩
耗性又は切削性の材料除去メカニズムに対して、加工工
具の押圧力、切削力の作用方向またはこれに対する横方
向への直接衝突形態の除去メカニズムを付加するもので
ある。そして、これら二種類の材料除去メカニズムを重
畳させることにより材料除去効率を顕著に向上する。こ
れと同時に、手持ち式装置の使用者が装置に及ぼすべき
押圧力を大幅に低減することも可能となる。その結果、
手持ち式装置の応用範囲が拡大可能となる。本発明によ
る手持ち式装置の使用者に及ぼされる騒音及び振動負荷
は、従来のハンマードリルと対比して著しく低下させる
ことができる。手持ち式装置に装着される加工工具の摩
耗、例えば加工工具のカッター素子と被加工材料との間
の摩擦や化学反応に基づく摩耗も著しく低下する。これ
により、手持ち式装置と加工工具の耐用寿命を大幅に向
上することが可能である。本発明による手持ち式装置と
加工工具の研削作業に際しての安全性も、従来の研削装
置よりも所要回転速度を低下させることが可能であるた
め、大幅に向上することが可能である。本発明による手
持ち式装置と加工工具は、脆性及び/又は低靭性材料の
加工に適しており、アルミニウム、銅などの軟質金属の
加工にも適用可能である。さらに、本発明は、材料の加
工に際して生じる切削くずを適切に吸引することによ
り、使用者に対する粉塵負荷を顕著に低減するものであ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、長手方向の超音波振動を励起するため
の本発明の一実施例による手持ち式装置を、加工工具の
装着状態で示す略線図である。
【図2】図2は、長手方向の超音波振動を励起する手持
ち式装置に用いる加工工具の一例を示す部分詳細図であ
る。
【図3】図3は、長手方向の超音波振動を励起する手持
ち式装置に用いる加工工具の他の例を示す部分詳細図で
ある。
【図4】図4は、長手方向の超音波振動を励起する手持
ち式装置に用いる加工工具の他の例を示す部分詳細図で
ある。
【図5】図5は、長手方向の超音波振動を励起する手持
ち式装置に用いる加工工具の他の例を示す部分詳細図で
ある。
【図6】図6は、長手方向の超音波振動を励起する手持
ち式装置に用いる加工工具の他の例を示す部分詳細図で
ある。
【図7】図7は、長手方向の超音波振動を励起する手持
ち式装置に用いる加工工具の他の例を示す部分詳細図で
ある。
【図8】図8は、長手方向の超音波振動を励起する手持
ち式装置に用いる加工工具の他の例を示す部分詳細図で
ある。
【図9】図9は、長手方向の超音波振動を励起する手持
ち式装置に用いる加工工具の他の例を示す部分詳細図で
ある。
【図10】図10は、長手方向の超音波振動を励起する
手持ち式装置に用いる加工工具の他の例を示す部分詳細
図である。
【図11】図11は、長手方向の超音波振動を励起する
手持ち式装置に用いる加工工具の他の例を示す部分詳細
図である。
【図12】図12は、長手方向の超音波振動を励起する
手持ち式装置に用いる加工工具の他の例を示す部分詳細
図である。
【図13】図13は、超音波ねじり振動を励起するため
の本発明の他の実施例による手持ち式装置を、加工工具
の装着状態で示す略線図である。
【図14】図14は、超音波ねじり振動を励起する手持
ち式装置に用いる加工工具の一例を示す部分詳細図であ
る。
【図15】図15は、超音波ねじり振動を励起する手持
ち式装置に用いる加工工具の他の例を示す部分詳細図で
ある。
【図16】図16は、超音波ねじり振動を励起する手持
ち式装置に用いる加工工具の他の例を示す部分詳細図で
ある。
【図17】図17は、超音波ねじり振動を励起する手持
ち式装置に用いる加工工具の他の例を示す部分詳細図で
ある。
【図18】図18は、超音波ねじり振動を励起する手持
ち式装置に用いる加工工具の他の例を示す部分詳細図で
ある。
【図19】図19は、吸引装置を具える振動増幅装置の
縦断面図である。
【符号の説明】
1 ハウジング 2 駆動ユニット 3 加工工具 4 電気音響変換器 5 振動増幅器 11 カッター素子 12 凹所 13 軸線方向孔 14,15 研削工具 20 軸線方向孔 21 吸引チャネル 22 接続部 L 長手方向の超音波振動 S 切削方向 T 超音波ねじり振動
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 41/12 H01L 41/08 U (72)発明者 オイゲン マジャーリ スイス国 ツェーハー−9473 ガムス フ ォアブルク 1アー (72)発明者 ペーター オフナー オーストリア国 アー−6800 フェルトキ ルヒ カリーナガッセ 18アー

Claims (25)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 脆性及び/又は低靭性材料の材料除去加
    工を行うための手持ち式装置であって、ハウジング
    (1)内に配置された駆動ユニット(2)と、該駆動ユ
    ニットにより回転駆動される加工工具(3)とを具え、
    ハウジング(1)内に超音波振動を励起するための電気
    音響変換器(4)と振動増幅器(5)とを配設して、加
    工工具(3)の回転運動に超音波振動を重畳可能とした
    ことを特徴とする手持ち式装置。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載の手持ち式装置におい
    て、次式: 0.5・v<ω・2・a<5・v を満足する超音波振動を重畳可能とし、ここにωは超音
    波振動の角周波数、aは超音波振動の振幅、vは被加工
    材料中における加工工具(3)の切削速度(m/s)で
    あることを特徴とする手持ち式装置。
  3. 【請求項3】 請求項1又は2に記載の手持ち式装置に
    おいて、電気音響変換器(4)の定格出力を約100〜
    1000W、好適には約200〜500Wとしたことを
    特徴とする手持ち式装置。
  4. 【請求項4】 請求項1〜3のいずれか一項に記載の手
    持ち式装置において、電気音響変換器(4)を磁歪型又
    は圧電型変換器としたことを特徴とする手持ち式装置。
  5. 【請求項5】 請求項1〜4のいずれか一項に記載の手
    持ち式装置において、加工工具(3)を、超音波振動に
    より生じる振動ノードの領域内に配置された工具ホルダ
    (6)により保持することを特徴とする手持ち式装置。
  6. 【請求項6】 請求項1〜5のいずれか一項に記載の手
    持ち式装置において、電気音響変換器(4)及び振動増
    幅器(5)の各構成部品を、超音波振動により生じる振
    動ノードの領域内に配置したことを特徴とする手持ち式
    装置。
  7. 【請求項7】 請求項1〜6のいずれか一項に記載の手
    持ち式装置において、加工工具(3)の軸線方向寸法
    を、被加工材料と接触する領域が超音波振動により生じ
    る振動の腹領域内に位置するよう定めたことを特徴とす
    る手持ち式装置。
  8. 【請求項8】 請求項1〜7のいずれか一項に記載の手
    持ち式装置において、加工工具(3)の材料を超音波振
    動に対する減衰の少ない材料、好適には炭素鋼又はアル
    ミニウムもしくはチタン合金としたことを特徴とする手
    持ち式装置。
  9. 【請求項9】 請求項1〜8のいずれか一項に記載の手
    持ち式装置において、振動増幅器(5)をハウジング
    (1)内で回転可能に支承して軸線方向の相対変位下で
    駆動ユニット(2)により回転駆動可能とし、該振動増
    幅器(5)に加工工具(3)を保持するための工具ホル
    ダ(6)を設けたことを特徴とする手持ち式装置。
  10. 【請求項10】 請求項1〜9のいずれか一項に記載の
    手持ち式装置において、電気音響変換器(4)は波長λ
    が約10〜40cmの長手方向の超音波振動(L)を励
    起する構成とし、該超音波振動を加工工具(3)に伝達
    可能としたことを特徴とする手持ち式装置。
  11. 【請求項11】 請求項10に記載の手持ち式装置にお
    いて、加工工具(3)を長さがnλ/2(ただし、n=
    1,2,3,…)のチューブ状又はロッド状の工具と
    し、その前端部にカッター素子(11)を設けたことを
    特徴とする手持ち式装置。
  12. 【請求項12】 請求項11に記載の手持ち式装置にお
    いて、切削方向(S)に見て、カッター素子(11)の
    前方に凹所(12)を設けたことを特徴とする手持ち式
    装置。
  13. 【請求項13】 請求項11に記載の手持ち式装置にお
    いて、加工工具(3)をカッター素子(11)が設けら
    れたチューブ状工具とし、該カッター素子(11)は加
    工工具(3)の前端部に非対称的な突出量をもって配置
    したことを特徴とする手持ち式装置。
  14. 【請求項14】 請求項10に記載の手持ち式装置にお
    いて、加工工具(3)を所定外径(d)のディスク状工
    具とし、その外周面および外縁部にカッター素子(1
    1)を設け、その軸線方向寸法をnλ/2(ただし、n
    =1,2,3,…)とし、その中心領域に所定の内径
    (b)を有する軸線方向孔(13)を設け、加工工具
    (3)の外径(d)と軸線方向孔(13)の内径(b)
    の平均値として定義される所定の相当径を有し、かつ、
    次式: fr =cL /DM π を満足する構成とし、ここにfr は加工工具(3)の半
    径方向共振周波数、cLは加工工具(3)における長手
    方向の衝撃速度、DM は加工工具(3)における前記相
    当径であることを特徴とする手持ち式装置。
  15. 【請求項15】 請求項10に記載の手持ち式装置にお
    いて、加工工具(3)を外周面および外縁部にカッター
    素子(11)が設けられたディスク状の工具とし、その
    軸線方向寸法をnλ/2(ただし、n=1,2,3,
    …)とし、その外径(d)を、長手方向の超音波振動
    (L)により加工工具(3)に励起される曲げ振動の半
    波長の整数倍としたことを特徴とする手持ち式装置。
  16. 【請求項16】 請求項10に記載の手持ち式装置にお
    いて、加工工具(3)を外周面にカッター素子(11)
    が設けられた指状の研削工具(14,15)とし、その
    軸線方向長さ(l)を超音波振動(L)の半波長の整数
    倍としたことを特徴とする手持ち式装置。
  17. 【請求項17】 請求項10に記載の手持ち式装置にお
    いて、加工工具(3)を深皿又は平皿形状の研削工具と
    し、被加工材料と接触する領域にカッター素子(11)
    を設け、軸線方向寸法をnλ/2(ただし、n=1,
    2,3,…)とし、その外径(d)を、長手方向の超音
    波振動(L)により加工工具(3)に励起される曲げ振
    動の半波長の整数倍としたことを特徴とする手持ち式装
    置。
  18. 【請求項18】 請求項10に記載の手持ち式装置にお
    いて、加工工具(3)を、外周面にカッター素子(1
    1)が設けられた研削面を有するドラム状研削工具と
    し、軸線方向寸法をnλ/2(ただし、n=1,2,
    3,…)とし、所定内径(b)の軸線方向孔(13)を
    有し、加工工具(3)の外径(d)と軸線方向孔(1
    3)の内径(b)の平均値として定義される所定の相当
    径を有し、かつ、次式: fr =cL /DM π を満足する構成とし、ここにfr は加工工具(3)の半
    径方向共振周波数、cLは加工工具(3)における長手
    方向の衝撃速度、DM は加工工具(3)における前記相
    当径であることを特徴とする手持ち式装置。
  19. 【請求項19】 請求項1〜9のいずれか一項に記載の
    手持ち式装置において、電気音響変換器(4)は波長λ
    が約10〜40cmの超音波ねじり振動(T)を励起す
    る構成とし、該超音波ねじり振動を加工工具(3)に伝
    達可能としたことを特徴とする手持ち式装置。
  20. 【請求項20】 請求項19に記載の手持ち式装置にお
    いて、加工工具(3)を長さがnλ/2(ただし、n=
    1,2,3,…)のチューブ状又はロッド状の工具と
    し、その前端部にカッター素子(11)を設けたことを
    特徴とする手持ち式装置。
  21. 【請求項21】 請求項20に記載の手持ち式装置にお
    いて、切削方向(S)に見て、カッター素子(11)の
    背後に凹所(12)を設けたことを特徴とする手持ち式
    装置。
  22. 【請求項22】 請求項19に記載の手持ち式装置にお
    いて、加工工具(3)を外周面および外縁部にカッター
    素子(11)が設けられたディスク状の工具とし、その
    軸線方向寸法をnλ/2(ただし、n=1,2,3,
    …)としたことを特徴とする手持ち式装置。
  23. 【請求項23】 請求項22に記載の手持ち式装置にお
    いて、ディスクの外径は、当該ディスクの支持軸の外径
    の約4倍までとしたことを特徴とする手持ち式装置。
  24. 【請求項24】 請求項1〜23のいずれか一項に記載
    の手持ち式装置において、振動増幅器(5)に軸線方向
    孔(20)を設け、該軸線方向孔(20)に半径方向の
    吸引チャネル(21)を接続し、その接続部(22)を
    装置の使用時に生じる超音波振動の振動ノード領域内に
    配置したことを特徴とする手持ち式装置。
  25. 【請求項25】 請求項1〜23のいずれか一項に記載
    の手持ち式装置において、振動増幅器(5)上に吸引モ
    ジュールを支持し、該吸引モジュールの軸線方向寸法を
    nλ/2(ただし、n=1,2,3,…)、好適にはλ
    /2とし、該吸引モジュールに軸線方向孔を設けると共
    に、該軸線方向孔に半径方向の吸引チャネルを接続し、
    その接続部を装置の使用時に生じる超音波振動の振動ノ
    ード領域内に配置したことを特徴とする手持ち式装置。
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